[发明专利]一种表面等离子激元光波导

说明书

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种表面等离子激元光波导。

背景技术

表面等离子激元是金属表面自由电子与入射光子相互耦合形成的非辐射电磁模式，它是局域在金属和介质表面传播的一种混合激发态。这种模式存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。表面等离子激元具有较强的场限制特性，可以将场能量约束在空间尺寸远小于其自由空间传输波长的区域，且其性质可随金属表面结构变化而改变。表面等离子激元波导可以突破衍射极限的限制，将光场约束在几十纳米甚至更小的范围内，并产生显著的场增强效应。目前表面等离子激元光波导正以其独特的模场限制能力以及可以同时传输光电讯号、可调控等独特的优势在纳米光子学领域显示出巨大的潜力，并已在纳米光子芯片、调制器、耦合器和开关、纳米激光器、突破衍射极限的超分辨成像以及生物传感器等方面有着重要的应用前景。

传统的表面等离子激元光波导结构主要有两类，金属/介质/金属型和介质/金属/介质型波导。其中，介质/金属/介质型光波导传输损耗较低，但较差的模场限制能力制约了其在高集成度光路中的应用；另一方面，金属/介质/金属型光波导具有很强的模场限制能力，但其传输损耗太大，导致其无法实现长距离光信号的传输。

本发明则提出了一种新型介质/金属/介质型表面等离子激元光波导。与传统介质/金属/介质型波导相比，该波导的介质基底不是半无限大的平面结构，而是带有一个倒梯形或矩形的沟槽，其所支持的两种表面等离子激元模式不仅保持了较低的传输损耗，且具有更小的模场面积。

发明内容

本发明提供了一种表面等离子激元光波导，其横截面包括带沟槽的介质基底层、位于介质基底层上的薄金属层以及包层；沟槽的截面形状为倒梯形、矩形中的任何一种；沟槽的下表面宽度为所传输的光信号的波长的0.06-0.8倍，且不大于沟槽的上表面的宽度，沟槽的上表面的宽度为所传输的光信号的波长的0.06-0.8倍，沟槽的深度范围为所传输的光信号的波长的0.6-5倍；薄金属层的厚度范围为所传输的光信号的波长的0.006-0.06倍；介质基底层和包层的材料为相同材料或不同材料。

所述光波导结构中薄金属层的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合材料。

本发明的表面等离子激元光波导具有以下优点：

本发明所设计的表面等离子激元光波导可以同时支持沟槽表面等离子和楔形表面等离子激元两种模式，且两种模式都具有较低的传输损耗。

所提表面等离子激元光波导结构简单，与现有的加工工艺相匹配。

附图说明

图1是表面等离子激元光波导的结构示意图。区域1为带沟槽的介质基底层，沟槽的上、下表面宽度分别为w_t和w_b，沟槽的深度为h；区域2为薄金属层，其厚度为d；区域3为包层。

图2是实例所述表面等离子激元光波导的结构图。201为带沟槽的介质基底层沟槽的上、下表面宽度分别为w_t和w_b，沟槽的深度为h，n_s为其折射率；202为薄金属层，n_m为其折射率，d为其厚度；203为包层，n_c为其折射率。

图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述表面等离子激元光波导支持的沟槽表面等离子激元以及楔形表面等离子激元模式的光场的分布图。图3(a)对应沟槽表面等离子激元模式，图3(b)对应楔形表面等离子激元模式。

图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述表面等离子激元光波导内传输的沟槽表面等离子激元模式的有效折射率、传输距离和归一化有效模场面积随宽度w_b的变化曲线。

图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述表面等离子激元光波导内传输的楔形表面等离子激元模式的有效折射率、传输距离和归一化有效模场面积随宽度w_b的变化曲线。

具体实施方式

表面等离子波的模式特性是表征表面等离子激元光波导的重要指标。其中模式特性参数主要包括有效折射率实部、传输距离和归一化有效模场面积。

传输距离L定义为任一界面上电场强度衰减为起始值l/e时的距离，其表达式为：

L＝λ/[4π/Im(n_eff)]    (1)

其中Im(n_eff)为模式有效折射率的虚部，λ为传输光信号的波长。